任薈穎， 鄒 鯤，2， 胡小榮

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心， 上海 201620)

落卷運(yùn)輸作為化纖長(zhǎng)絲生產(chǎn)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)已有部分學(xué)者對(duì)自動(dòng)落卷設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)[1]、控制系統(tǒng)[2-3]以及全流程自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)[4]進(jìn)行研究并初見(jiàn)成果。國(guó)外則起步較早，研發(fā)的化纖長(zhǎng)絲落卷、傳輸、包裝以及倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)與裝備已經(jīng)投放市場(chǎng)，代表性的企業(yè)有德國(guó)的AUTEFA公司、意大利的Gualchierani公司和Salmoiraghi公司[5]。目前針對(duì)化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷系統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)工藝要素的研究較少。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中已逐漸得到應(yīng)用，有學(xué)者利用Unity3D進(jìn)行了機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)的仿真[6-7]。相對(duì)其他仿真軟件，Unity3D自帶物理引擎，三維仿真效果強(qiáng)大、真實(shí)感強(qiáng)[8-9]，用于生產(chǎn)線(xiàn)仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)，支持多腳本運(yùn)行，開(kāi)發(fā)靈活度高，同時(shí)支持多平臺(tái)發(fā)布，提高了仿真平臺(tái)的可移植性。

在化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷生產(chǎn)線(xiàn)中，工藝要素多，情況復(fù)雜，目前工廠(chǎng)一般是根據(jù)多年實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定工藝要素，缺乏一種對(duì)各種規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)的工藝過(guò)程進(jìn)行研究的科學(xué)方法。本文在Unity3D引擎中建立典型化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，為典型化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷系統(tǒng)工藝研究提供了一種方法，以期能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)類(lèi)似的生產(chǎn)線(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)確定較優(yōu)的工藝要素值，指導(dǎo)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)。

1 化纖長(zhǎng)絲落卷系統(tǒng)

本文的研究對(duì)象為典型化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。由落卷機(jī)器人、投擲機(jī)器人、紗架、暫存區(qū)、卷繞機(jī)和天軌組成，其中卷繞機(jī)臺(tái)數(shù)可調(diào)整。若單臺(tái)卷繞機(jī)單次卷繞12個(gè)絲餅，則落卷機(jī)器人負(fù)責(zé)落卷滿(mǎn)卷的卷繞機(jī)，并將12個(gè)絲餅一次運(yùn)送到暫存區(qū)，投擲機(jī)器人單次取走暫存區(qū)的12個(gè)絲餅并逐個(gè)投擲到紗架。在自動(dòng)落卷過(guò)程中，機(jī)器人速度參數(shù)及控制策略均難以通過(guò)理論方法確定，因此，本文通過(guò)建立化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)工況的模擬，收集系統(tǒng)仿真運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)以提供對(duì)上述問(wèn)題的解決辦法。

圖1 典型化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of typical chemical filament automatic doff system

2 仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

2.1 化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷系統(tǒng)影響因素

化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷系統(tǒng)影響因素如下。

1)生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)：包括生產(chǎn)線(xiàn)卷繞機(jī)數(shù)目，常見(jiàn)為48 臺(tái)、72 臺(tái)等；卷繞機(jī)類(lèi)型包括單軸、雙軸等；卷繞機(jī)按直線(xiàn)擺放，間隔1 m左右；生產(chǎn)線(xiàn)紗線(xiàn)種類(lèi)常見(jiàn)1條生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)1 種紗線(xiàn)，存在2、3種紗線(xiàn)并線(xiàn)生產(chǎn)的情況；暫存區(qū)容量影響落卷過(guò)程；紗架更換頻率影響投擲任務(wù)。

2)控制參數(shù)：包括卷繞機(jī)生頭方式，由1組或多組工人生頭；生頭間隔，即2臺(tái)卷繞機(jī)生頭時(shí)間差；落卷機(jī)器人類(lèi)型，單次落卷1 臺(tái)或多臺(tái)卷繞機(jī)等；落卷、投擲機(jī)器人的速度、左交接時(shí)間、左定位時(shí)間、右交接時(shí)間、右定位時(shí)間等參數(shù)。

3)控制策略：包括機(jī)器人避讓策略，落卷優(yōu)先、投擲優(yōu)先、先到先得策略；滿(mǎn)卷信號(hào)的落卷策略，先滿(mǎn)卷信號(hào)先落卷、按特定順序落卷等策略。

在上述影響因素中，因落卷、投擲機(jī)器人均需要占用暫存區(qū)而存在避讓問(wèn)題。投擲優(yōu)先，則落卷機(jī)器人每次進(jìn)入暫存區(qū)前先判斷是否會(huì)影響投擲機(jī)器人，若存在影響則落卷機(jī)器人等待至不再影響后進(jìn)入暫存區(qū)。同理，落卷優(yōu)先則投擲機(jī)器人占用暫存區(qū)前先判斷是否會(huì)影響落卷機(jī)器人。先到先得則為首先進(jìn)入暫存區(qū)的機(jī)器人享有優(yōu)先占用權(quán)。

2.2 仿真平臺(tái)

在仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)中，首先根據(jù)2.1節(jié)中的生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行場(chǎng)景搭建。將SAT格式的三維機(jī)械模型導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件3dsMax或MAYA中，渲染后導(dǎo)出為FBX格式文件[12]。Unity3D工程加載該模型文件，按照生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)由后臺(tái)程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)布置場(chǎng)景，完成的Unity3D場(chǎng)景示例如圖2所示。

場(chǎng)景搭建完成后，軟件部分按照功能不同分為6個(gè)模塊，如圖3所示。其中：系統(tǒng)總控模塊控制整個(gè)仿真平臺(tái)的運(yùn)行節(jié)拍；時(shí)間模塊進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)時(shí)、倒計(jì)時(shí)操作；數(shù)據(jù)模塊將讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)功能進(jìn)行封裝，以簡(jiǎn)化總控模塊的程序復(fù)雜度；落卷機(jī)器人、投擲機(jī)器人模塊根據(jù)總控模塊的命令執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)；數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)仿真過(guò)程中輸入、輸出的數(shù)據(jù)。各個(gè)模塊邏輯獨(dú)立，現(xiàn)按照功能簡(jiǎn)述如下。

1)數(shù)據(jù)庫(kù)。本文采用SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)作為存儲(chǔ)媒介，按照存儲(chǔ)內(nèi)容不同建立了11 個(gè)數(shù)據(jù)表：各卷繞機(jī)生頭時(shí)刻表、各卷繞機(jī)的落卷極限等待時(shí)間表、各卷繞機(jī)紗線(xiàn)的滿(mǎn)卷時(shí)間表、填滿(mǎn)紗架數(shù)記錄表、紗架絲餅存儲(chǔ)量記錄表、暫存區(qū)絲餅存儲(chǔ)量記錄表、投擲信號(hào)記錄表、自動(dòng)落卷數(shù)記錄表、自動(dòng)落卷信號(hào)記錄表、人工落卷數(shù)記錄表、人工落卷信號(hào)記錄表。數(shù)據(jù)庫(kù)是仿真平臺(tái)與外部交互的數(shù)據(jù)通道，平臺(tái)運(yùn)行需要的基本信息和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均通過(guò)這些數(shù)據(jù)表進(jìn)行傳輸。

圖2 仿真場(chǎng)景示例

Fig.2 Simulation scenario case

圖3 仿真平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 Software structure diagram of simulation platform

2)時(shí)間、數(shù)據(jù)模塊。為降低代碼復(fù)雜度，使軟件結(jié)構(gòu)清晰明了，本文對(duì)使用率高的功能模塊進(jìn)行封裝。在數(shù)據(jù)模塊中封裝了22 個(gè)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)各表格的子函數(shù)，以簡(jiǎn)化在系統(tǒng)總控模塊中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。在時(shí)間模塊中封裝了3 個(gè)子函數(shù)，分別為已生頭卷繞機(jī)滿(mǎn)卷時(shí)間計(jì)時(shí)、滿(mǎn)卷信號(hào)剩余等待時(shí)間倒計(jì)時(shí)、系統(tǒng)計(jì)時(shí)，以方便系統(tǒng)總控模塊進(jìn)行計(jì)時(shí)操作。

3)系統(tǒng)總控模塊。仿真平臺(tái)后臺(tái)控制由系統(tǒng)總控模塊實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)拍，把控仿真平臺(tái)整體運(yùn)行狀態(tài)。該模塊主要功能包括：讀取數(shù)據(jù)庫(kù)生產(chǎn)線(xiàn)信息，自動(dòng)布置仿真場(chǎng)景；根據(jù)各卷繞機(jī)的生頭時(shí)間、滿(mǎn)卷時(shí)間以及落卷極限等待時(shí)間產(chǎn)生滿(mǎn)卷信號(hào)，并對(duì)極限等待時(shí)間倒計(jì)時(shí)；根據(jù)滿(mǎn)卷信號(hào)、剩余等待時(shí)間以及落卷機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)發(fā)布落卷任務(wù)；根據(jù)暫存區(qū)，紗架的紗線(xiàn)種類(lèi)、位置以及投擲機(jī)器人的狀態(tài)發(fā)布投擲任務(wù)；將仿真平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

4)落卷、投擲機(jī)器人模塊。落卷機(jī)器人模塊收到落卷任務(wù)指令，根據(jù)仿真平臺(tái)設(shè)置的機(jī)器人避讓策略控制落卷機(jī)器人前往指定位置落卷并將絲餅運(yùn)輸?shù)綍捍鎱^(qū)，若無(wú)下一個(gè)任務(wù)則返回零位等待，若有則繼續(xù)落卷。同理，投擲機(jī)器人模塊收到投擲任務(wù)后，根據(jù)仿真平臺(tái)設(shè)置的機(jī)器人避讓策略控制投擲機(jī)器人前往暫存區(qū)，并將絲餅運(yùn)往紗架，若無(wú)下一個(gè)任務(wù)則停在紗架位置，若有則繼續(xù)投擲。

3 仿真結(jié)果有效性驗(yàn)證

由于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)百米，信號(hào)發(fā)生范圍廣且量大，記錄實(shí)際生產(chǎn)中的滿(mǎn)卷信號(hào)及機(jī)器人的落卷情況極為困難，但為驗(yàn)證上述控制邏輯的正確性以及仿真結(jié)果的有效性，本文在MatLab中對(duì)一種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的工況進(jìn)行建模。將某一時(shí)刻的滿(mǎn)卷信號(hào)及剩余等待時(shí)間作為輸入，分別在MatLab和Unity3D環(huán)境下仿真，各自輸出人工落卷次數(shù)及人工落卷信號(hào)編號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 環(huán)境因素假設(shè)

典型化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷生產(chǎn)線(xiàn)的布局如圖1所示，在建模前將其工況簡(jiǎn)化如下。

1)假定某一時(shí)刻存在大量滿(mǎn)卷信號(hào)且在這一時(shí)刻開(kāi)始落卷，這一時(shí)刻前的信號(hào)均未被處理，下個(gè)新的滿(mǎn)卷信號(hào)在系統(tǒng)處理完這些信號(hào)前不會(huì)出現(xiàn)，即驗(yàn)證程序和仿真平臺(tái)只需考慮完成這一時(shí)刻存在的待落卷信號(hào)。

2)暫存區(qū)足夠大，忽略投擲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

3)機(jī)器人落卷策略為先滿(mǎn)卷先落卷。

3.2 數(shù)學(xué)模型建立

現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)在x時(shí)刻存在的滿(mǎn)卷信號(hào)進(jìn)行處理，以人工落卷次數(shù)為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，x時(shí)刻的滿(mǎn)卷信號(hào)為

M=[m1,m2,,mi,,mn]

(1)

式中：M為滿(mǎn)卷信號(hào)向量；mi為第i個(gè)滿(mǎn)卷信號(hào)對(duì)應(yīng)的卷繞機(jī)編號(hào)，mi=0,1,2,3；i為滿(mǎn)卷信號(hào)編號(hào)，i=1,2n；n為滿(mǎn)卷信號(hào)數(shù)目，個(gè)。

上述滿(mǎn)卷信號(hào)在x時(shí)刻的剩余等待時(shí)間為

T=[T1,T2,,Ti,,Tn]

(2)

式中：T為x時(shí)刻滿(mǎn)卷信號(hào)的剩余等待時(shí)間向量；Ti為第i個(gè)滿(mǎn)卷信號(hào)的剩余等待時(shí)間，s。

按照先滿(mǎn)卷先落卷的順序依次處理n個(gè)滿(mǎn)卷信號(hào)，則處理第i個(gè)滿(mǎn)卷信號(hào)，落卷機(jī)器人從初始位置出發(fā)到達(dá)mi號(hào)卷繞機(jī),再到暫存區(qū)完成交接后回到初始位置,所用的時(shí)間為

(3)

式中：Fi為落卷滿(mǎn)卷信號(hào)i所需的時(shí)間，s；v為落卷機(jī)器人平均移動(dòng)速度，m/s；l為暫存區(qū)中心位置與落卷機(jī)器人零位之間的距離，m；z為每2臺(tái)相鄰卷繞機(jī)中心位置之間的距離，m；c為落卷機(jī)器人與卷繞機(jī)、暫存區(qū)的交接時(shí)間，s。

若落卷機(jī)器人出發(fā)時(shí)位于零位(0號(hào)卷繞機(jī)中心位置)，則落卷機(jī)器人處理第i個(gè)滿(mǎn)卷信號(hào)，從初始位置出發(fā)到達(dá)mi號(hào)卷繞機(jī)并完成定位交接所需要的時(shí)間為

(4)

式中，ti為從零位到達(dá)滿(mǎn)卷信號(hào)i位置并完成定位交接所用的時(shí)間，s。

若落卷機(jī)器人出發(fā)時(shí)位于暫存區(qū)位置，則ti為

(5)

在x+Fi時(shí)刻，未被處理且已超出其極限等待時(shí)間需要人工落卷的信號(hào)個(gè)數(shù)為

(6)

式中：Ni為處理信號(hào)i過(guò)程中人工落卷信號(hào)數(shù)，個(gè)；y為滿(mǎn)卷信號(hào)編號(hào)變量；Ty為信號(hào)y的剩余窗口時(shí)間，s；Ty≠Fi。

為保證已落卷過(guò)的信號(hào)i不會(huì)被再次記為人工落卷信號(hào)，即該信號(hào)的剩余等待時(shí)間不能再小于零，其剩余等待時(shí)間為

(7)

除去已處理的信號(hào)i，其余信號(hào)的剩余等待時(shí)間為T(mén)i=Ty-Fi,則n個(gè)信號(hào)全部落卷完畢時(shí)人工落卷的信號(hào)個(gè)數(shù)為

(8)

3.3 對(duì)比驗(yàn)證過(guò)程

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型及參數(shù)，按照先滿(mǎn)卷先落卷的策略進(jìn)行滿(mǎn)卷信號(hào)處理，另設(shè)n個(gè)滿(mǎn)卷信號(hào)中人工落卷的信號(hào)向量為

A=[a1,a2,,ak]

(9)

式中：A為人工落卷信號(hào)向量；ak為人工落卷信號(hào)；k為人工落卷信號(hào)編號(hào)，k=1,2,3，，n。

設(shè)向量D，用于記錄A中各人工落卷信號(hào)對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)卷信號(hào)編號(hào)i：

D=[d1,d2,,dk]

(10)

式中：D為滿(mǎn)卷信號(hào)編號(hào)向量；dk為滿(mǎn)卷信號(hào)編號(hào)。

MatLab對(duì)比驗(yàn)證邏輯如圖4所示。

3.4 對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果

仿真所需其余參數(shù)值設(shè)定如下。

1)生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)：采用48 臺(tái)雙軸卷繞機(jī)，生產(chǎn)規(guī)格為11.1 tex(24 f)全拉伸絲(FDY)，滿(mǎn)卷時(shí)間為2 h，極限等待時(shí)間為5 min；z=1.2 m，l=2 m。

2)控制參數(shù)：16 組工人分為3批生頭，每臺(tái)卷繞機(jī)生頭完成需2 min；落卷機(jī)器人單次落卷1 臺(tái)卷繞機(jī)，運(yùn)動(dòng)速度平均為1 m/s，左右定位交接時(shí)間均為27 s。

設(shè)生產(chǎn)線(xiàn)開(kāi)始生頭時(shí)刻為0，則第1批生頭的卷繞機(jī)在7 320 s時(shí)滿(mǎn)卷，第2批在7 440 s時(shí)滿(mǎn)卷，第3批在7 680 s時(shí)滿(mǎn)卷。7 680 s時(shí)存在的滿(mǎn)卷信號(hào)及其剩余等待時(shí)間如表1所示。

將表1中滿(mǎn)卷信號(hào)及其剩余等待時(shí)間輸入MatLab程序，將上述生頭情況、滿(mǎn)卷時(shí)間及其極限等待時(shí)間輸入U(xiǎn)nity3D仿真平臺(tái)，得到的人工落卷信號(hào)如表2所示。

圖4 MatLab程序邏輯圖

Fig.4 Logic diagram of MatLab program

表1 滿(mǎn)卷信號(hào)信息表Tab.1 Full signal information table

滿(mǎn)卷信號(hào)時(shí)間/s滿(mǎn)卷信號(hào)時(shí)間/s滿(mǎn)卷信號(hào)時(shí)間/s滿(mǎn)卷信號(hào)時(shí)間/s0604560251801430036036604618017300660396028180203009604260311802330012601180241802630015604180371802930018607180401803230021601018043180253002460131802300383002760161805300413003060191808300443003360221801130047300

由以上對(duì)比結(jié)果可得，2個(gè)平臺(tái)得到的人工落卷次數(shù)及人工落卷信號(hào)完全一致，從而證明了由本文所建仿真平臺(tái)得到的仿真結(jié)果是有效的。

表2 落卷信號(hào)編號(hào)在Unity3D仿真與MatLab驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

Tab.2 Full signal number comparison between Unity3D andMatLab verification

仿真平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證仿真平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證仿真平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證仿真平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證33363628281717663939313120209942423434232312124545373726261515774040292918181010434332322121131346463535242416165538382727191988414130302222111144443333252514144747

4 落卷工藝要素整定

如2.1節(jié)所述，生產(chǎn)線(xiàn)影響因素較多，本文在其余影響因素一定的情況下，以減少人工落卷次數(shù)為目標(biāo)，對(duì)以下2種工況進(jìn)行仿真。通過(guò)對(duì)比不同參數(shù)下的人工落卷次數(shù)確定更優(yōu)的工藝要素，以表明本仿真平臺(tái)對(duì)于選定系統(tǒng)控制策略及較優(yōu)工藝參數(shù)具有參考意義。

4.1 機(jī)器人避讓策略對(duì)比

在確定避讓策略時(shí)，本文通過(guò)枚舉法對(duì)3種機(jī)器人避讓策略分別仿真，對(duì)比在多種落卷機(jī)器人運(yùn)行速度下，各機(jī)器人避讓策略對(duì)應(yīng)的人工落卷次數(shù)。

根據(jù)浙江某工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)情況，設(shè)定生產(chǎn)線(xiàn)影響因素組合如下。

1)生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)： 48 臺(tái)雙軸卷繞機(jī)，生產(chǎn)規(guī)格為11.1 tex(24 f)的FDY，其滿(mǎn)卷時(shí)間為2 h，極限等待時(shí)間為5 min；設(shè)備布局見(jiàn)圖1。z=1.2 m，l=2 m，暫存區(qū)與紗架中心位置之間的距離為2 m；暫存區(qū)容量足夠，紗架更換及時(shí)不會(huì)影響投擲機(jī)器人。

2)控制參數(shù)：1組工人生頭，生頭方式按照卷繞機(jī)編號(hào)由小到大進(jìn)行，生頭間隔取120 s；落卷機(jī)器人單次落卷1臺(tái)卷繞機(jī)，其運(yùn)行速度通常在5 m/s以?xún)?nèi)，左右定位交接時(shí)間為27 s；投擲機(jī)器人平均速度為1 m/s，右定位交接時(shí)間為27 s，左定位交接時(shí)間為200 s。

3)控制策略：采用先滿(mǎn)卷先落卷的原則。

基于以上條件，記1個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)卷周期為從第1臺(tái)卷繞機(jī)生頭開(kāi)始，到最后1臺(tái)生頭的卷繞機(jī)落卷結(jié)束所用的時(shí)間。以落卷機(jī)器人運(yùn)行速度和機(jī)器人避讓策略為2個(gè)可變參數(shù)，在不同落卷機(jī)器人運(yùn)行速度和避讓策略下多次仿真1個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)卷周期，得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 3種機(jī)器人避讓策略人工落卷情況對(duì)比

Tab.3 Manual drop situation comparison of threekinds of robot avoidance strategies

落卷機(jī)器人平均移動(dòng)速度/(m·s-1)人工落卷次數(shù)落卷優(yōu)先策略投擲優(yōu)先策略先到先得策略0.13738370.22627260.32021200.41617160.51214130.6911100.771080.85860.94641.02431.11221.21211.30101.40001.5000

由表3可知，在不同的落卷機(jī)器人運(yùn)行速度下，機(jī)器人落卷優(yōu)先策略相對(duì)于其他2種避讓方式，能夠達(dá)到更少的人工落卷次數(shù)。在某一機(jī)器人速度下，可以得出3種避讓策略下的人工落卷次數(shù)，從而進(jìn)行比較。

4.2 落卷機(jī)器人運(yùn)行速度整定

在確定較優(yōu)參數(shù)時(shí)，本文在合理范圍內(nèi)對(duì)可變參數(shù)等間隔取值，仿真得出各取值下的人工落卷次數(shù)，人工落卷次數(shù)少的取值為較優(yōu)取值。本文通過(guò)這種方法來(lái)確定較優(yōu)的落卷機(jī)器人運(yùn)行速度。生產(chǎn)線(xiàn)影響因素設(shè)定如下。

1)生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)： 72 臺(tái)雙軸卷繞機(jī)，生產(chǎn)3種紗線(xiàn)。編號(hào)為0～23號(hào)卷繞機(jī)生產(chǎn)15.6 tex(24 f)預(yù)取向絲(POY)，滿(mǎn)卷時(shí)間為3 h，極限等待時(shí)間為6 min；編號(hào)為24～47號(hào)卷繞機(jī)生產(chǎn)規(guī)格為11.1 tex(24 f)的POY，其滿(mǎn)卷時(shí)間為4 h，極限等待時(shí)間為8 min；編號(hào)為48～71號(hào)卷繞機(jī)生產(chǎn)規(guī)格為7.8 tex(24 f)的POY，其滿(mǎn)卷時(shí)間為6 h，極限等待時(shí)間為12 min。設(shè)備位置如圖1所示。z=1.2 m，l=2 m，暫存區(qū)與紗架中心位置之間的距離為2 m；暫存區(qū)容量足夠，紗架更換及時(shí)不會(huì)影響投擲機(jī)器人。

2)控制參數(shù)：1組工人生頭，生頭方式按照卷繞機(jī)編號(hào)由小到大進(jìn)行，生頭間隔取240 s；落卷機(jī)器人單次落卷1臺(tái)卷繞機(jī)，參考4.1節(jié)仿真結(jié)果，本文取落卷機(jī)器人速度最低為1 m/s，最高為5 m/s，左右定位交接時(shí)間為17 s；投擲機(jī)器人平均速度為1 m/s，右定位交接時(shí)間為27 s，左定位交接時(shí)間為200 s。

3)控制策略：采用落卷優(yōu)先的機(jī)器人避讓策略和先滿(mǎn)卷先落卷的原則。

基于以上條件，以減少人工落卷次數(shù)為目標(biāo)，以落卷機(jī)器人運(yùn)行速度為可變參數(shù)進(jìn)行仿真。仿真生產(chǎn)線(xiàn)24 h運(yùn)行。通過(guò)在不同速度下多次仿真，結(jié)果如表4所示。由此可確定較優(yōu)的落卷機(jī)器人運(yùn)行速度。

表4 不同落卷機(jī)器人運(yùn)行速度下的人工落卷情況對(duì)比

Tab.4 Manual doff situation comparison atdifferent speeds of doff robot

落卷機(jī)器人平均移動(dòng)速度/(m·s-1)人工落卷次數(shù)落卷機(jī)器人平均移動(dòng)速度/(m·s-1)人工落卷次數(shù)1.1351.8121.2321.981.3312.061.4262.141.5222.221.6182.301.7142.40

由表4可知，落卷機(jī)器人運(yùn)行速度越快，化纖長(zhǎng)絲落卷系統(tǒng)仿真運(yùn)行過(guò)程中的人工落卷次數(shù)越少。機(jī)器人速度過(guò)高會(huì)增加人機(jī)共線(xiàn)工作的安全隱患，過(guò)低則不能滿(mǎn)足系統(tǒng)落卷需求。在本文所限定的生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)下，落卷機(jī)器人速度達(dá)到2.3 m/s時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)完全由落卷機(jī)器人自動(dòng)落卷，人工落卷次數(shù)為0。

5 結(jié) 論

本文研究了典型化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷系統(tǒng)的工藝過(guò)程，建立了基于Unity3D引擎的仿真平臺(tái)，并基于MatLab對(duì)比驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。仿真平臺(tái)采用結(jié)構(gòu)化編程思想，將系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)拍與命令執(zhí)行分離開(kāi)，并按照功能封裝了多個(gè)功能模塊，使軟件結(jié)構(gòu)清晰。分別在不同的工藝參數(shù)組合下對(duì)機(jī)器人避讓策略和落卷機(jī)器人運(yùn)行速度進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

1)由建立的仿真平臺(tái)得到的仿真結(jié)果有效。

2)基于只生產(chǎn)1種紗線(xiàn)的工況，在不同的落卷機(jī)器人運(yùn)行速度下，相比于先到先得和投擲機(jī)器人優(yōu)先策略，落卷機(jī)器人優(yōu)先策略可使系統(tǒng)人工落卷次數(shù)更少。

3)基于3種紗線(xiàn)共線(xiàn)生產(chǎn)的工況，機(jī)器人速度為2.3 m/s時(shí)可滿(mǎn)足系統(tǒng)落卷需求，使系統(tǒng)人工落卷次數(shù)為0，低于該速度會(huì)導(dǎo)致人工落卷次數(shù)增加。

4)上述仿真分別基于不同規(guī)格的化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷生產(chǎn)線(xiàn)，在單一或多品種化纖長(zhǎng)絲混合生產(chǎn)的工況下進(jìn)行仿真分析，為生產(chǎn)線(xiàn)工藝要素整定提供參考。